环氧丙烷皂化废水剩余污泥的水解酸化及利用污泥菌群合成聚羟基脂肪酸酯的研究

发布时间：2020-09-18 21:47

　　由于城市化与工业化的飞速发展,污泥的产量也在不断增长,至2020年污泥的产量预计达到六千万吨(80%含水率)。以剩余污泥厌氧消化水解酸化液为底物合成可生物降解的塑料——聚羟基脂肪酸酯(PHA),对实现剩余污泥的资源化、减量化利用,对减少PHA的生产成本具有重要意义。水解酸化液的产量及组分会受到剩余污泥的组分及水解酸化的预处理技术的影响,而PHA的合成及PHA单体组成又会受到水解酸化液组分的影响。因此,本论文探究了不同来源的污泥相互作用及生物法预处理剩余污泥对厌氧消化产挥发性脂肪酸(VFAs)的影响,并利用不同的条件驯化剩余污泥,探究对PHA合成效率及PHA组成的影响,为利用污泥厌氧消化生成的实际水解酸化液合成PHA奠定基础。环氧丙烷(PO)皂化废水剩余污泥与生活污泥按照不同质量比进行混合。从厌氧消化产VFAs的结果可以看出只使用PO皂化废水剩余污泥厌氧消化产VFAs效果最佳,第20天时,VFAs的积累量最大,约为4295.11 mg/L。在该条件下,乙酸与丙酸在VFAs中所占比例较高,占VFAs总量的比例均为40.00%左右,故两者比例约为1:1。因此选择PO皂化废水剩余污泥为材料,进一步探究生物法预处理对其厌氧消化产VFAs产量及组成的影响。在60℃条件下,从PO皂化废水剩余污泥中筛选出一株具有蛋白酶活性的菌株L30,通过形态观察、特性研究以及16S rRNA基因测序分析,鉴定菌株L30为Bacillus tequilensis。通过对嗜热菌预处理技术促进剩余污泥水解酸化产酸的性能进行研究,得出使用嗜热菌B.tequilensis L30的菌液处理剩余污泥,产生的VFAs的最大值为5770.65mg/L,比对照组的最大值提高了34.66%。同时,确定了菌液的最佳投加比例为10%(V/V),VFAs浓度达到6519.04 mg/L,约为对照组的1.35倍。水解酸化液仍以乙酸和丙酸为主,比例约为1:1。分别利用两个序批式反应器(SBR),一个SBR装置以乙酸钠为唯一碳源,另一个SBR装置以乙酸钠:丙酸钠为1:1配制培养基,剩余污泥进行驯化35天后发酵积累PHA。结果显示,使用乙酸钠为唯一碳源驯化后,污泥的最大PHA积累量占细胞干重的34.37%,PHA单体主要是3-羟基丁酸(3HB),占95%以上。而利用乙酸钠与丙酸钠驯化后剩余污泥的最大PHA积累量为细胞干重的51.23%,3-羟基戊酸(3HV)的比例增加,约占30%左右,在PHA合成最大值时,3HB和3HV按照质量比,约为2:1。采用三代测序中的单分子实时测序(SMRT)技术分析剩余污泥驯化前后微生物群落结构变化。在门水平上,变形菌门(Proteobacteria)在驯化前后都是污泥群落中的优势微生物,利用乙酸钠驯化后的污泥(AccAS)和利用乙酸钠和丙酸钠驯化后的污泥(PrAccAS)该种群分别比驯化前(OriAS)提高了52.28%、55.23%,并且该种群中的多数细菌已被鉴定为能够合成PHA。在属水平上,显著减少的是Tessaracoccus由驯化前的31.87%,在AccAS和PrAccAS分别减少至3.63%、1.50%。显著提高的是假单胞菌属(Pseudomonas)由驯化前的0.0025%,在AccAS和PrAccAS分别增加至24.35%、3.22%,另外,在PrAccAS中,优势属还有Phycisphaera和固氮弧菌属(Azoarcus),由驯化前的0.06%、未检测到分别增加至9.32%、47.68%。这些增加的菌属具有合成PHA的能力,而一些不能适应驯化环境的菌属逐渐被淘汰。本研究将为实现PO皂化废水剩余污泥厌氧消化产酸和PHA合成组合技术提供有益参考,为降低污泥的处理成本和综合利用工业废水剩余污泥提供一条新途径。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703
【部分图文】：

示意图,厌氧消化过程,示意图

VFAs 转化成 CH4与 CO2的混合气体。图 1 厌氧消化过程示意图1.2.2 剩余污泥厌氧消化产酸的影响因素剩余污泥厌氧发酵生成的 VFAs 是由六个或者更少的碳原子组成的短链脂肪酸。温度、pH、保留时间、有机负荷率（OLR）等对污泥厌氧发酵生成的 VFAs 的浓度及组成有很大影响。1.2.2.1 温度温度对厌氧消化底物中组分的物化特性有重要影响，还能影响微生物的生长速率与代谢，从而使反应器中的种群动态发生变化[8]。将温度范围可以划分为嗜冷（4~20oC）、嗜温（20~50oC）、嗜热（50~60oC）和嗜高温（60~80oC）。Yuan 等人[9]研究表明在24.6oC 条件下 VFAs 最高产量为 2154 mg/L，而在嗜冷范围 14oC 和 4oC 条件下 VFAs产量分别为 1449 mg/L 和 782 mg/L，在这三种不同温度下产生的 VFAs 的组成并没有显著的变化。Liu 等人[10]发现，在最佳 pH 下总 VFAs 的积累在嗜热（55oC）条件下最高，是嗜温（35oC）条件下的 2.15 倍，是嗜高温（70oC）条件下 VFAs 积累量的 1.12 倍，可以看出，在嗜热条件下水解产物能更有效的转化为 VFAs。另外

色谱图,标准品,色谱图,标准曲线

济南大学硕士学位论文量分析，各种酸色谱标准曲线如表 2.3。表 2.3 挥发性脂肪酸标准品的标准曲线VFAs 标准曲线相关系数 R2甲酸 Y=12.774X-0.2354 0.9999乙酸 Y=8.2454X-0.0376 0.9998丙酸 Y=7.8164X-0.0730 1.0000异丁酸 Y=10.112X-0.1982 0.9997正丁酸 Y=6.8909X-0.1448 0.9993异戊酸 Y=8.2160X-1.6084 0.9999正戊酸 Y=6.8068X-0.0050 0.9998

可溶性蛋白质,可溶性碳水化合物,解酸,浓度

图 2.2 可溶性蛋白质浓度变化解酸化过程中可溶性碳水化合物的浓度变化如图 2.3 所示。由图的污泥中，可溶性碳水化合物的浓度整体上呈上升趋势。其中，碳水化合物浓度逐渐升高，在第 18 天达到最大值 130.81 mg/L；增加幅度较大，随后浓度缓慢增加并略有波动，在发酵结束时浓、1:1、2:3、1:4 与生活污泥原样中可溶性碳水化合物的浓度增长最大值，分别为 21.40 mg/L、22.46 mg/L、22.90 mg/L、21.96 mg/L、工业污泥与生活不同质量进行混合后并没有促进可溶性碳水化合泥原样水解酸化后可溶性碳水化合物的浓度较高，最大值为生活解过程释放的可溶性碳水化合物有利于酸化过程中 VFAs 的积累。

【相似文献】